Hallo, Wie man vielleicht auch schon an dem anderen Thread erkennen konnte, bin ich im Moment dabei mich in das Thema Brushless DC-Motor also bürstenlose Motoren (Synchronmotor) einzuarbeiten. Ich hätte da mal eine Frage bezüglich den "gängigen" Three-Phase FET Driver Bridges. Also solche, die 6 N-Channel FETs ansteuern können. Also konkret der HIP4086 (http://www.intersil.com/data/an/an9642.pdf) So wie ich das Problem verstanden habe, ist es wie folgt: Damit die N-Channel in der Highside durchgesteuert werden können, während der jeweilige Lowside-Transistor ausgeschaltet ist, muss am oberen Transistor eine potenzialfreie Spannungsquelle anliegen. Und zwar mit Source als (Masse-)Bezugspunkt. Wenn der untere Transistor sowieso durchgeschaltet ist, liegt am oberen Source-Pin ja sowieso Massepotenzial (auch wenn diese Anordnung in der klassischen H-Bridge einen klassischen Kurzschluss verursachen würde ;)) So, wenn ich das soweit richtig verstanden habe, dann benutzt man nun einen Bootstrap Kondensator, der während der Lowside-Off-Time die Potenzialfreie Spannungsquelle für den Highside-Transistor darstellt. Nun ist auch völlig klar, dass der Lowside Transistor und der Highside Transistor zwangsläufig abwechselnd durchgeschaltet werden muss, damit der Bootstrap Kondensator überhaupt eine bestimmte Ladungsmenge trägt um als Spannungsquelle dienen zu können. So, nun zum HIP4086. Auf Seite 2 im Datenblatt im oberen Teil sieht man den schematischen Aufbau. Nun frage ich mich aber, welcher Schaltung der Kasten "Charge Pump" entspricht. Wofür eine Charge Pump, und wie soll die funktionieren? Soweit ich weiß muss bei der Charge Pump ein Ladekondensator einmal parallel zu einer Spannungsquelle liegen und im nächsten Zyklus in Reihe. Somit erhält man dann die doppelte Spannung. Wo ist der Charge-Pump Kondensator? (Wird hier der Bootstrap Kondensator mitbenutzt?). Hm. Dann noch eine Frage: Da das Teil ja eine dreifache Halbbrückenanordnung ist und als Application sogar "Brushless Motors" angegeben ist, verstehe ich folgendes nicht: Wenn ich die Ansteuerung des Brushless Motors nun machen sollte, würde ich zyklisch folgende Anordnung durchgehen: 1. Highside 1 anschalten, Lowside 2 PWMen 2. Highside 1 anlassen, Lowside 3 PWMen 3. Highside 2 anschalten, Lowside 3 PWMen 4. Highside 2 anlassen, Lowside 1 PWMen 5. Highside 3 anschalten, Lowside 1 PWMen 6. Highside 3 anlassen, Lowside 2 PWMen und wieder zurück nach 1. Das sieht für mich aber problematisch aus, denn die Highsides bleiben gewissermaßen zwei Ansteuerzyklen lang angeschaltet, werden aber nur durch PWM (in dem vor-vorhergehenden und dem davorgehenden Zyklus) geladen. Also nicht "abwechselnd", so wie ich oben gesagt habe. Hält der Bootstrap Kondensator das theoretisch überhaupt durch, den oberen Kondensator so lange durchzusteuern? Meine Frage viel eher ist: Gibt es hier einen Trick oder ähnliches, oder ist das so schon ganz richtig? Wenn die PWM alternierend ist (also Highside alternierend mit Lowside abgewechselt wird, siehe hierzu nächste Frage), dann müsste es doch funktionieren in meiner obigen Tabelle Highside und Lowside umzudrehen. Somit steuert man die Lowside länger durch, während ein anderer Kanal die PWM ausführt (wobei der Bootstrap Kondensator immer genug Ladung hat, da ja eben alternierend PWM'd wird). Eine letzte Frage: Beim Thema PWMen bei BLDC Motoren wird immer gesagt, dass man die PWM alternierend bauen soll. Damit meine ich, dass wenn beispielsweise Kanal 2 PWM'd, dass alternierend die Highside 2 und Lowside 2 angesteuert werden, um den Freilaufstrom der Wicklung wirksam kurzzuschließen (besser als es die im Mosfet integrierte Freilaufdiode tun würde). Ist das so korrekt? Bremst man damit den Motor nicht ein wenig wieder ab? Soweit so gut erstmal. Vielen Dank für Antworten schon mal im Voraus! :D
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Hallo, der Bootstrap Kondensator wird geladen, wenn der untere Fet an ist und damit die Masse vom Bootkondensator auf der echten Masse liegt. Der Kondensator wird in diesem Fall von der 15 V Steuerstromversorgung über eine Diode geladen. Das nennen die Charge Pump. Das hat nichts mit der üblichen Spannungsverdopplerschaltung zu tun, die den oberen Kondensator auf den unteren aufschaltet. Dass die oberen Fets über eine halbe Motorstromperiode hinweg eingeschaltet bleiben, kann bie zu kleinen Bootstrapkondensatoren zu Problemen führen. Besser ist es in so einem Fall, wenn man dafür sorgt, dass die langen Zyklen nur an den unteren Fets auftreten. Mit alternierendem Schalten meinst du sicher, dass der obere Fet immer entgegengesetzt dem unteren angesteuert wird. Das nennt man auch Zwangskommutierung. Von der Verlustleistung sollte es aber kein unterschied zu einer freien Kommutierung sein, der Freilaufstrom läuft nämlich immer über die Dioden, egal ob dazu parallel noch ein Fet an ist, oder nicht. Die Stromrichtung ist im Freilauf so, dass nur die Diode den Strom übernimmt. Am einfachsten erzeugt man geeignete Pulsmuster, indem man die PWM auf allen drei Phasen immer laufen lässt und im Leerlauf alle Phasen auf 50% einstellt. Damit haben alle Motorklemmen immer die gleiche Spannung und keine Wicklung sieht Spannung. Jetzt gibt man als Ansteuerung für jede Wicklung eine mittlere Spannung vor, die dort abfallen soll. Damit errechnet man die Pulsweite für jede Phase und stellt sie ein. Das macht man in jedem Zyklus der PWM und fährt so beispielsweise eine Tabelle durch oder besorgt sich die Werte von einem Stromregler. Das funktioniert soweit ganz gut, nur schaltet man dabei unnötig oft. Einen Freiheitsgrad hat man nämlich noch nicht ausgenutzt, das ist die mittlere Spannung am Sternpunkt des Motors, die sich bei der vorherigen Methode durch die 50% Pulsweite im Leerlauf ergibt. Wenn man alle Pulsweiten so weit nach unten schiebt, dass stets eine Phase ständig auf Masse geschaltet bleibt, kann man Schaltzyklen sparen. Das spart Verlustleistung ein, die sich durch das zusätzliche Schalten ergeben würde. Dieses Verfahren eignet sich für die Schaltung mit den Bootstrapkondensatoren. Jetzt werden die oberen Fets aber öfter geschaltet als die unteren, woduch sich diese auch stärker erwärmen. Deswegen wird bei professionellen Umrichtern ab und zu das Verfahren umgedreht, so dass stets eine Phase oben immer eingeschaltet ist. Das ist dann aber nicht mehr geeignet für die Kondensatorschaltung. Bei Kleinspannungsmotoren kann man das aber auch alles vergessen, denn die Schaltverluste von Fets sind bei diesen Spannungen wirklich vernachlässigbar klein. Die Lösung mit der symmetrischen PWM um 50% Leerlaufpulsweite ist durchaus praktikabel. Die zweitgenannte Lösung hat aber den Vorteil, dass mehr Spannung zur Verfügung steht, das musst du dir mal auf Papier aufmalen, dann sieht man es sofort, dass immer nur eine Phase voll auf Plus oder Minus ausgesteuert wird und damit, wenn man eine Phase immer auf Plus oder Minus festhängt, für die anderen beiden mehr Spannung übrig bleibt. Viele Grüße, Peter
Hallo Peter, Ui, lange Antwort :-) Peter Diener wrote: > Das nennen die Charge Pump. Das hat nichts mit der > üblichen Spannungsverdopplerschaltung zu tun, die den oberen Kondensator > auf den unteren aufschaltet. Ok! > Dass die oberen Fets über eine halbe Motorstromperiode hinweg > eingeschaltet bleiben, kann bie zu kleinen Bootstrapkondensatoren zu > Problemen führen. Besser ist es in so einem Fall, wenn man dafür sorgt, > dass die langen Zyklen nur an den unteren Fets auftreten. Oder einfach einen größeren Bootstrapkondensator verwenden? :D Der Ladestrom ist ja zum Glück nicht (außer durch die Diode) begrenzt, sodass man da ruhig einen großen Kondensator benutzen kann. Das sollte doch funktionieren. > Mit alternierendem Schalten meinst du sicher, dass der obere Fet immer > entgegengesetzt dem unteren angesteuert wird. Ja, immer Highside mit Lowside abwechselnd. In Phase quasi. > Das nennt man auch > Zwangskommutierung. Sicher? Ich dachte Zwangskommutierung beschreibt, wenn man dem Motor ein festes Drehfeld vorgibt ohne auf die Position des Motors zu achten. > Von der Verlustleistung sollte es aber kein > unterschied zu einer freien Kommutierung sein, der Freilaufstrom läuft > nämlich immer über die Dioden, egal ob dazu parallel noch ein Fet an > ist, oder nicht. Sicher? Wenn parallel zu der (relativ schwachen) Body Diode ein sehr sehr niedriger Widerstand parallel liegt, dann teilt sich der Strom, und somit die Leistung zwischen dem Schaltelement und der Diode doch auf. Die Leistung am Transistor ist aber gleich, da hast du Recht. Jetzt wo du das sagst. Ich hab nur des öfteren mal gelesen, dass man das so macht bei Brushless Motoren. Komisch, was soll dann die Begründung sein? Oder alles Kokkolores? :-) Und da ja auch die gleiche Leistung vom Motor im FET verbraten wird während der Freilaufphase, erhöht sich auch nicht die Bremskraft, die auf den Motor wirkt, wenn man den Freilaufstrom niederohmiger kurzschließt? > Die Stromrichtung ist im Freilauf so, dass nur die > Diode den Strom übernimmt. Wenn der Mosfet durchgeschaltet ist, leitet das "Schaltelement" im selbigen doch in beide Richtungen, oder nicht? :O > Am einfachsten erzeugt man geeignete Pulsmuster, indem man die PWM auf > allen drei Phasen immer laufen lässt und im Leerlauf alle Phasen auf 50% > einstellt. Die Idee klingt nicht schlecht, aber da bekomme ich doch ein Problem bei nicht-Hallbasierten Brushless Motoren, da ich die Back-EMF Spannung ja nicht mehr ermitteln kann. > Jetzt werden die oberen Fets aber öfter > geschaltet als die unteren, woduch sich diese auch stärker erwärmen. Ja, das klingt logisch. Für jede Phase wird ja im Prinzip zwei mal Ich würde schon gerne beim zweiten Verfahren bleiben. Wegen dem Back-EMF Problem. Ein paar Fragen hätte ich auch noch: - Gibt es Probleme, wenn ich die Back-EMF Spannung auswerten möchte und gleichzeitig Bootstrapkondensatoren benutze? Meiner Meinung nach nicht. Der Kondensator wird geladen, wenn der N-Channel mal an war. Während man die BEMF Spannung aber misst, sind ja beide FETs aus. Sprich: Die BEMF Spannung hebt zwar das niedrige Potenzial des (möglicherweise) geladenen Kondensators an, lässt aber keinen Strom fließen (außer durch meine Apparatur, die die BEMF Spannung misst). So richtig? - Welchen Vorteil hat es nun konkret alternierend zu schalten (Das was du oben als Zwangskommutierung bezeichnet hast? (Außer, dass man nur dann den Bootstrapkondensator einsetzen kann :D) So, mehr fällt mir gerade nicht ein. Falls sich noch mal jemand von euch erbarmen würde mir zu antworten, wäre das mehr als super :D
Ohne "Bootstrap" geht's nicht... Der Bootstrap-Kondensator oder Charge Pump wird ständig geladen und je nach Anforderung mehr oder weniger belastet! Kein Irrtum oder Fehler(z.B.Verpolung) ist es, das die Kondensatoren durch die hohe Frequenz wirklich richtig heiss werden, ich würde hier 105C Kondenstoren empfehlen. OHNE diesen Kondensator geht es leider nicht. Versuche an einem BLDC-Controller mit Hall-Sensoren ohne Kondensator führten zu nichtigen Ergebnissen. Die MosFETs kamen in unregelmässige Schwingung, eine gleichmässige Steuerung war nicht mehr möglich. Eine Temperaturmessung ergab, das die MosFET's um einiges wärmer wurden. Versuchsobjekt ist das "LowRacer Hybrid" Elektro-Fahrrad. Für eine hohe Leistungsreserve von rund 2000Watt, also 40Vx50A, wurden noch zusätzliche 19 Kondensatoren mit jeweils 22000uF dazu geschaltet. Später wurden Bi-directionale 5W-Suppressor Dioden über jeden Kondensator verdrahtet, so das keine schädliche Überspannung entstehen kann. Hier ein kleines Video zum Versuch: http://www.youtube.com/watch?v=gTNrTnEXudY
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